WO2020045490A1 - 核磁気共鳴装置、及び微結晶構造解析方法 - Google Patents

核磁気共鳴装置、及び微結晶構造解析方法 Download PDF

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WO2020045490A1
WO2020045490A1 PCT/JP2019/033687 JP2019033687W WO2020045490A1 WO 2020045490 A1 WO2020045490 A1 WO 2020045490A1 JP 2019033687 W JP2019033687 W JP 2019033687W WO 2020045490 A1 WO2020045490 A1 WO 2020045490A1
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magnetic resonance
nuclear magnetic
magnetic field
sample
rotation
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PCT/JP2019/033687
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Inventor
亮介 久住
和行 武田
木村　恒久
啓 門間
Original Assignee
国立大学法人京都大学
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects

Definitions

  • the present invention relates to a nuclear magnetic resonance apparatus and a microcrystal structure analysis method.
  • a nuclear magnetic resonance device (NMR device) using the MAS (Magic Angle Spinning) method is known.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • a sample is rotated at a high speed of, for example, 5 kHz to 20 kHz in a state where the sample is tilted at a magic angle with respect to a static magnetic field, and nuclear magnetic resonance (NMR; By detecting a Nuclear Magnetic Resonance signal, the crystal structure of the sample is analyzed (for example, see Patent Document 1).
  • a time-varying magnetic field is applied to microcrystals suspended in a sample, and X-rays are applied to the microcrystals that are three-dimensionally oriented (pseudo-single crystallized).
  • An X-ray structure analysis apparatus that performs analysis by using a conventional technique is also known (for example, see Patent Document 2).
  • a sample capable of detecting a nuclear magnetic resonance signal effective for analyzing a crystal structure is usually limited to a single crystal having a size of about several mm. For this reason, the effective nuclear magnetic resonance signal can be detected for a single crystal or microcrystalline powder having a size smaller than the above (hereinafter, simply referred to as “microcrystal”) or a fragile microcrystal such as a protein. And it was difficult to analyze the crystal structure.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and conventionally, even for a sample that cannot detect an effective nuclear magnetic resonance signal for analyzing a crystal structure, it is possible to detect the effective nuclear magnetic resonance signal. It is an object of the present invention to provide a nuclear magnetic resonance apparatus and a microcrystal structure analysis method that can be used.
  • a nuclear magnetic resonance apparatus of the present invention irradiates a sample placed in a static magnetic field with a pulsed electromagnetic wave to excite nuclear magnetic resonance, and detects a nuclear magnetic resonance signal generated by the nuclear magnetic resonance.
  • a nuclear magnetic resonance apparatus comprising: a static magnetic field source for generating the static magnetic field; a transmission / reception unit for irradiating the electromagnetic wave and detecting the nuclear magnetic resonance signal; and suspending microcrystals in the static magnetic field.
  • a rotating mechanism for applying a time-varying magnetic field to the sample to three-dimensionally orient the microcrystals, and irradiating the electromagnetic wave in synchronization with the variable speed rotation of the sample by rotating the sample at a variable speed.
  • Control unit for controlling the transmission / reception unit as described above.
  • the sample in which microcrystals are suspended in a static magnetic field is rotated at a variable speed, and a time-varying magnetic field is applied to the sample.
  • Original orientation quadsi-single crystallization
  • the electromagnetic wave is applied to the sample only when a specific portion, which is a part of the rotation direction of the sample, faces a desired direction. Since the irradiation is performed intermittently, it is possible to accurately detect a nuclear magnetic resonance signal in a state where the specific portion is oriented in a desired direction.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus of the present invention can detect an effective nuclear magnetic resonance signal even in a sample in which an effective nuclear magnetic resonance signal cannot be detected conventionally for crystal structure analysis.
  • control unit is capable of adjusting a timing of synchronizing the variable speed rotation of the sample with the irradiation of the electromagnetic wave.
  • the desired direction of the specific part in the sample can be changed by adjusting the timing by the control unit.
  • the rotation mechanism temporarily stops the rotation every time the sample is rotated by 180 ⁇ n ° (n is an arbitrary natural number).
  • n is an arbitrary natural number.
  • the rotation mechanism rotates the sample at a variable speed around a rotation axis extending in a direction perpendicular to the magnetic field direction of the static magnetic field, and the nuclear magnetic resonance apparatus rotates the rotation axis in the magnetic field direction.
  • the control unit further includes an inclination mechanism that inclines the rotation axis to the arbitrary angle immediately before irradiating the sample with the electromagnetic wave. It is preferable to control.
  • the microcrystals in the sample can be three-dimensionally oriented by rotating the sample around a rotation axis extending in a direction perpendicular to the direction of the magnetic field by the rotation mechanism. Since the sample is irradiated with the electromagnetic wave while the rotation axis is tilted at an arbitrary angle other than perpendicular to the magnetic field direction by the tilt mechanism, the rotation axis is not tilted at an angle other than perpendicular to the magnetic field direction. As compared with the case of irradiating an electromagnetic wave, the information of the anisotropy of the chemical shift can be obtained in detail from a nuclear magnetic resonance signal generated when the electromagnetic wave is irradiated. Therefore, a more effective nuclear magnetic resonance signal can be detected by inclining the rotation axis to the above-mentioned arbitrary angle by the inclining mechanism.
  • the microcrystal structure analysis method of the present invention is a step of applying a time-varying magnetic field by rotating the sample in which the microcrystals are suspended in a static magnetic field to apply three-dimensional orientation to the microcrystals. And irradiating the sample with pulsed electromagnetic waves in synchronization with the variable-speed rotation of the sample to excite nuclear magnetic resonance, and detecting a nuclear magnetic resonance signal generated by the nuclear magnetic resonance. According to the microcrystal structure analysis method of the present invention, the same operation and effect as those of the above nuclear magnetic resonance apparatus can be obtained.
  • the effective nuclear magnetic resonance signal can be detected even in a sample in which a nuclear magnetic resonance signal effective for crystal structure analysis cannot be detected conventionally.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a schematic configuration of a nuclear magnetic resonance apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line II of FIG. 1. It is a perspective view which shows the magnetization axis of a microcrystal.
  • FIG. 3 is a perspective view of the rotation mechanism and the tilt mechanism of FIG. 2 as viewed from above. It is a perspective view showing the state where a sample container is rotated by a rotation mechanism. It is a schematic diagram which shows the example of control of the drive part by a control part. It is a perspective view explaining three-dimensional orientation of a microcrystal. It is a perspective view showing the state where the sample container was inclined by the inclination mechanism.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state in which the magnetization axis of a microcrystal is rotated in a direction perpendicular to the direction of a magnetic field.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the magnetization axis of a microcrystal is rotated to an angle other than perpendicular to the direction of a magnetic field.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a nuclear magnetic resonance apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line II of FIG. 1 and 2, a nuclear magnetic resonance apparatus 1 irradiates a sample container 2 arranged in a static magnetic field with a pulsed electromagnetic wave to excite nuclear magnetic resonance, and nuclear magnetic resonance generated by the nuclear magnetic resonance.
  • This is an apparatus for analyzing the crystal structure of the sample in the sample container 2 by detecting a signal.
  • the sample container 2 is, for example, a closed cylindrical container, and suspends microcrystals 3 (see FIG. 3) of an organic compound, an inorganic compound, a biological substance, and the like in the fields of medicine, biotechnology, and polymer materials. This is the one in which the sample was stored.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus 1 includes a static magnetic field source 4 for generating a static magnetic field, a transmission / reception unit 5 for irradiating an electromagnetic wave and detecting the nuclear magnetic resonance signal, and irradiating the sample container 2 with the electromagnetic wave. And a control unit 7 for controlling the transmission / reception unit 5 and the like.
  • the static magnetic field source 4 is composed of, for example, a superconducting magnet having a cylindrical solenoid coil. The superconducting magnet is arranged such that the direction B of the static magnetic field is from the bottom to the top in FIG. In FIG. 1, the illustration of the static magnetic field source 4 is omitted.
  • the transmission / reception unit 5 includes, for example, a high-frequency generator that generates pulsed high-frequency waves for irradiating an electromagnetic wave, and is electrically connected to a coil 6 arranged around the sample container 2.
  • a pulsed high-frequency wave transmitted from the transmission / reception unit 5 is applied to the coil 6 so that the sample container 2 in the static magnetic field is irradiated with a pulsed electromagnetic wave (radio wave) from the coil 6.
  • a pulsed high-frequency wave transmitted from the transmission / reception unit 5 is applied to the coil 6 so that the sample container 2 in the static magnetic field is irradiated with a pulsed electromagnetic wave (radio wave) from the coil 6.
  • a minute current indicating a nuclear magnetic resonance signal generated by the nuclear magnetic resonance flows through the coil 6.
  • the transmission / reception unit 5 detects the nuclear magnetic resonance signal from the sample container 2 by receiving the small current, and passes the detected nuclear magnetic resonance signal to the control unit 7.
  • the control unit 7 has a function of controlling the transmission / reception unit 5 and a drive control of a driving unit 16 of the rotating mechanism 10 and a driving unit 26 of the tilting mechanism 20 described below.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the magnetization axis of the microcrystal 3.
  • the microcrystal 3 is made of a biaxial crystal having mutually different magnetic susceptibilities in three directions orthogonal to each other, and has magnetic biaxial anisotropy.
  • the microcrystal 3 has three different magnetic susceptibilities ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 in each of the three axial directions, and has a magnitude relationship of ⁇ 1> ⁇ 2> ⁇ 3.
  • the axis of the magnetic susceptibility ⁇ 1 is called an easy axis
  • the axis of the magnetic susceptibility ⁇ 2 is called an intermediate axis
  • the axis of the magnetic susceptibility ⁇ 3 is called a hard axis.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus 1 further includes a rotation mechanism 10 and a tilt mechanism 20.
  • the rotation mechanism 10 is a mechanism that rotates the sample container 2 around an oblique rotation axis P2 that extends in a direction perpendicular to the magnetic field direction B.
  • the tilting mechanism 20 is a mechanism that rotates the sample container 2 around an oblique rotation axis P3 that extends perpendicularly to the oblique rotation axis P2 in the vertical direction.
  • FIG. 4 is a perspective view of the rotation mechanism 10 and the tilt mechanism 20 of FIG. 2 as viewed from above. 2 and 4, the rotating mechanism 10 includes a rotating shaft 11, a guide 12, a sliding part 13, a supporting part 14, a transmitting part 15, a driving part 16, and the like.
  • the rotating shaft 11 is rotatably supported around the tilted rotation axis P2 with respect to the first bracket 17 and the second bracket 18 which are arranged apart from each other in the direction of the tilted rotation axis P2.
  • the rotation shaft portion 11 of the present embodiment is rotatably supported on the first bracket 17 about the tiltable rotation axis P2 and is rotatably supported on the second bracket 18 about the tiltable rotation axis P2.
  • a driven shaft 11b freely supported.
  • a guide portion 12 is fixed to one end of the drive shaft 11a (the right end in FIG. 2) and one end of the driven shaft 11b (the left end in FIG. 2).
  • Each guide portion 12 is formed in an arc shape centering on an intersection C between the tilted rotation axis P2 and the tilted rotation axis P3 in a side view.
  • a concave groove 12a is formed on the inner circumference of each guide portion 12 over the entire circumferential direction.
  • a sliding portion 13 is slidably fitted in the circumferential direction of the guide portion 12 in the concave groove 12a of each guide portion 12.
  • the sliding portion 13 is formed in an arc shape with the intersection C as the center, and is formed longer in the circumferential direction than the guide portion 12. Thus, the sliding portion 13 is slidable about the intersection C with respect to the guide portion 12 (see FIG. 8).
  • a support portion 14 extending toward the intersection C is fixed to the center of the inner peripheral surface of each sliding portion 13 in the circumferential direction.
  • a space in which the sample container 2 is disposed is formed between the support portions 14, and both ends of the sample container 2 disposed in the space in the axial direction are detachably supported by the two support portions 14. I have.
  • the center line in the longitudinal direction of both support portions 14 is coaxially arranged, and is a tiltable rotation axis P ⁇ b> 1 serving as a rotation axis of the sample container 2.
  • the tiltable rotation axis P1 is disposed on the tiltable rotation axis P2. (See FIG. 8).
  • the guide section 12 and the sliding section 13 also function as a part of the tilt mechanism 20.
  • a transmission unit 15 is provided at the other end (the left end in FIG. 2) of the drive shaft 11a.
  • the transmission unit 15 includes a drive pulley 15a connected to the drive unit 16, a driven pulley 15b connected to the other end of the drive shaft 11a, and an endless bridge stretched between the drive pulley 15a and the driven pulley 15b. And a belt 15c.
  • the transmission unit 15 may be configured by another rotation transmission mechanism such as a gear.
  • the drive unit 16 is composed of, for example, a stepping motor, and the drive pulley 15a of the transmission unit 15 is connected to the tip of the output shaft 16a.
  • the rotational driving force of the drive unit 16 is transmitted to the drive shaft 11a via the drive pulley 15a, the belt 15c, and the driven pulley 15b of the transmission unit 15.
  • the drive unit 16 may be another actuator such as a servomotor other than the stepping motor.
  • the drive shaft 11 a rotates around the tilting rotation axis P ⁇ b> 2 via the transmission unit 15.
  • the rotation of the drive shaft 11a causes the sample container 2 to move together with the guide portion 12, the sliding portion 13, and the support portion 14 disposed on the first bracket 17 side, as shown in FIG. It rotates around the tilt rotation axis P1).
  • the rotation of the sample container 2 causes the driven shaft 11b to rotate about the tilted rotation axis P2 together with the support portion 14, the sliding portion 13, and the guide portion 12 arranged on the second bracket 18 side.
  • the drive of the drive unit 16 is controlled by the control unit 7 (see FIG. 1). Specifically, the control unit 7, the predetermined time t r 180 ⁇ n ° the sample container 2 over (n is an arbitrary natural number) every time the rotating, the predetermined time t s required for forming a static magnetic field During this period, the drive of the drive unit 16 is controlled so as to temporarily stop the rotation.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of control of the drive unit 16 by the control unit 7.
  • the control unit 7 applies a time-varying magnetic field (hereinafter, referred to as a time-varying magnetic field) on the xy plane.
  • a time-varying magnetic field hereinafter, referred to as a time-varying magnetic field
  • the sample container 2 is rotated by 180 ° in the clockwise direction of FIG. 6 around the z-axis (the tilted rotation axis P2) with the x-axis on the upper side of the paper of FIG. The case of rotating will be described.
  • the x-axis is arranged parallel to the magnetic field direction B.
  • control section 7 rotates the sample container 2 at a predetermined angular velocity ⁇ q (preferably 60 rpm) in a range of 180 ° (rotation angle ⁇ q) from the position of 0 ° to the position of 180 °. Then, at the position of 180 ° on the x-axis, the control section 7 completely stops the sample container 2 for a predetermined time t s (preferably 1 to 10 seconds, more preferably 1 second).
  • control unit 7 rotates the sample container 2 again at the angular velocity ⁇ q in a range of 180 ° (rotation angle ⁇ q) from the position of 180 ° to the position of 0 ° (360 °). Then, the control unit 7 completely stops the sample container 2 on the x-axis at the 0 ° position for a predetermined time t s (preferably 1 second). As a result, the sample container 2 rotates at a variable speed around the z-axis (tilt rotation axis P2) extending in the direction perpendicular to the magnetic field direction B.
  • the time-varying magnetic field is applied by controlling the drive of the drive unit 16 by the control unit 7 so as to temporarily stop the rotation of the sample container 2 every time the sample container 2 rotates by 180 °. Then, a rotating magnetic field is formed during the rotation of the sample container 2, so that the hard axis ⁇ 3 of the microcrystal 3 suspended in the sample container 2 becomes a z-axis perpendicular to the xy plane (rotation plane). Orientation.
  • the axis of easy magnetization ⁇ 1 of the microcrystal 3 is oriented in the x-axis direction arranged parallel to the magnetic field direction B, and the remaining intermediate axis ⁇ 2 is also automatically oriented in the y-axis direction.
  • the microcrystals 3 change from a state of being randomly arranged as shown in FIG. 7A to a state of being three-dimensionally oriented as shown in FIG. .
  • a stable static magnetic field can be formed by temporarily stopping the rotation of the sample container 2, so that the alignment accuracy when the microcrystal 3 is three-dimensionally aligned can be increased.
  • the rotation is temporarily stopped every time the sample container 2 is rotated by 180 °, but the sample is rotated every plural rotations such as every 360 ° (one rotation) or every 540 ° (one and a half rotation).
  • the rotation of the container 2 may be stopped, or the rotation of the sample container 2 may be stopped at a different rotation angle each time.
  • the rotation of the sample container 2 may be stopped when the relative rotation is performed to an arbitrary natural number multiple of 180 °.
  • the sample container 2 is completely stopped, but it may be rotated slowly as long as a static magnetic field can be formed.
  • the tilt mechanism 20 rotates the sample container 2 around the tiltable rotation axis P3 so that the tiltable rotation axis P1 that is the rotation axis of the sample container 2 is moved relative to the tiltable rotation axis P2.
  • This is a mechanism for tilting in the magnetic field direction B.
  • the tilting mechanism 20 is a mechanism that tilts the tiltable rotation axis P1 at an arbitrary angle other than perpendicular to the magnetic field direction B.
  • the tilt mechanism 20 includes a rotating shaft 21, a guide 22, a sliding part 23, a connecting part 24, a transmitting part 25, a driving part 26, and the like.
  • the rotating shaft portion 21 is rotatably supported around the tilting rotation axis P3 with respect to the third bracket 27 and the fourth bracket 28 which are arranged apart from each other in the direction of the tilting rotation axis P3.
  • the rotating shaft portion 21 of the present embodiment is rotatably supported about the tilting rotation axis P3 with respect to the third bracket 27, and is rotated about the tilting rotation axis P3 with respect to the fourth bracket 28.
  • a driven shaft 21b freely supported.
  • a guide portion 22 is fixed to one end of the drive shaft 21a (the upper end in FIG. 1) and one end of the driven shaft 11b (the lower end in FIG. 1). Each guide portion 22 is formed in an arc shape with the intersection C as a center. A groove 22a is formed on the inner periphery of each guide portion 22 over the entire circumferential direction.
  • a sliding portion 23 is slidably fitted in the groove 22a of each guide portion 22 in the circumferential direction of the guide portion 22.
  • the sliding portion 23 is formed in an annular shape around the intersection C, and a space on the inner peripheral side of the sliding portion 23 is a space in which the sample container 2 is arranged.
  • a connecting portion 24 is fixed to the first bracket 17 side of the sliding portion 23.
  • the connecting portion 24 includes a disk 24 a externally fitted and fixed to the support portion 14 of the rotating mechanism 10 on the first bracket 17 side, and a plurality of connecting plates connecting the outer peripheral portion of the disk 24 a and the sliding portion 23. 24b (see also FIG. 8).
  • the connecting portion 24 and the sliding portion 23 of the tilting mechanism 20 are rotated. Also rotates about the tilting rotation axis P2 with respect to the guide portion 22 (see FIG. 5). Therefore, the guide part 22, the sliding part 23, and the connecting part 24 also function as a part of the rotation mechanism 10.
  • the connecting portion 24 of the present embodiment connects the supporting portion 14 on the first bracket 17 side and the sliding portion 23
  • the connecting portion 24 connects the supporting portion 14 on the second bracket 18 side and the sliding portion 23. May be.
  • a transmission unit 25 is provided at the other end (the lower end in FIG. 1) of the drive shaft 21 a of the rotation shaft unit 21.
  • the transmission unit 25 includes a drive pulley 25a connected to the drive unit 26, a driven pulley 25b connected to the other end of the drive shaft 21a, and an endless bridge stretched between the drive pulley 25a and the driven pulley 25b. And a belt 25c.
  • the transmission unit 25 may be configured by another rotation transmission mechanism such as a gear.
  • the drive unit 26 is composed of, for example, a stepping motor, and the drive pulley 25a of the transmission unit 25 is connected to the tip of the output shaft 26a.
  • the rotational driving force of the driving unit 26 is transmitted to the driving shaft 21a via the driving pulley 25a, the belt 25c, and the driven pulley 25b of the transmission unit 25.
  • the drive unit 26 may be another actuator such as a servo motor other than the stepping motor.
  • the driving shaft 21 a rotates around the tilt axis P 3 via the transmission unit 25. Then, by the rotation of the drive shaft 21a, as shown in FIG. 8, together with the guide portion 22 disposed on the third bracket 27 side, the sliding portion 23 and the connecting portion 24, the two support portions 14 and the two The sliding portion 13 rotates around the tilt axis P3. Then, by the rotation of the sliding portion 23 and the connecting portion 24, the driven shaft 21b rotates about the tilted rotation axis P3 together with the guide portion 22 arranged on the fourth bracket 28 side.
  • the tiltable rotation axis P1 is tilted together with the sample container 2 in the magnetic field direction B with respect to the tiltable rotation axis P2.
  • the control unit 7 controls the electromagnetic wave from the coil 6 in synchronization with the variable speed rotation of the sample container 2 in order to accurately detect a nuclear magnetic resonance signal in a state where the microcrystal 3 is pseudo-single-crystallized as described above.
  • the transmission / reception unit 5 is controlled to irradiate. Specifically, the control unit 7 controls the transmission / reception unit 5 to transmit the electromagnetic wave from the coil 6 only when a specific part that is a part of the rotation direction of the sample container 2 is oriented in a desired direction. Is controlled.
  • the position in the rotation direction of the sample container 2 may be directly detected by a sensor, or the sample container 2 may be determined.
  • the position in the rotation direction of the sample container 2 may be calculated from the angular velocity and the rotation time to make the determination.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus 1 of the present embodiment can detect an effective nuclear magnetic resonance signal even for a sample in which an effective nuclear magnetic resonance signal cannot be conventionally detected for analyzing a crystal structure.
  • the control unit 7 performs control for adjusting the timing of synchronizing the variable speed rotation of the sample container 2 and the irradiation of the electromagnetic wave so that the desired direction of the specific portion can be changed. Specifically, when the state in which the specific portion of the sample container 2 is oriented in the desired direction reaches a predetermined number of times, the control unit 7 sets the timing for synchronizing the variable speed rotation of the sample container 2 and the irradiation of the electromagnetic wave to a predetermined time. Control is performed to shift the timing of generating the high frequency in the transmission / reception unit 5 so as to shift the timing.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of control of the transmission / reception unit 5 by the control unit 7.
  • FIG. 9A shows a state where a specific portion of the sample container 2 is oriented in a desired direction when the sample container 2 is rotating at a variable speed around the tilting rotation axis P2.
  • the state in which the axis of easy magnetization ⁇ 1 of the quasi-single-crystallized microcrystal 3 in the sample container 2 is oriented in a direction inclined at a predetermined angle ⁇ 1 with respect to the magnetic field direction B indicates that the specific portion is in a desired direction. Is facing.
  • the control unit 7 determines that the state where the axis of easy magnetization ⁇ 1 is inclined at a predetermined angle ⁇ 1 with respect to the magnetic field direction B by the variable speed rotation of the sample container 2 is determined a predetermined number of times (in the example of FIG. 9).
  • the transmission / reception unit 5 is controlled so that the electromagnetic wave is emitted from the coil 6 only in this state until the number of times reaches n. Thereafter, when the state in which the easy axis ⁇ 1 is inclined at a predetermined angle ⁇ 1 with respect to the magnetic field direction B reaches a predetermined number of times, the controller 7 sets the easy axis ⁇ 1 as shown in FIG.
  • the desired direction of the specific portion of the sample container 2 can be changed by adjusting the timing for synchronizing the variable speed rotation of the sample container 2 and the irradiation of the electromagnetic wave by the control unit 7. Thereby, it is possible to accurately detect a nuclear magnetic resonance signal in a state where a specific portion of the sample container 2 faces an arbitrary direction.
  • the present inventors actually performed the control example of FIG. 9 in order to verify the effect obtained by the control unit 7 performing the above-described control, and based on the nuclear magnetic resonance signal detected by irradiating an electromagnetic wave.
  • a verification experiment for measuring an NMR spectrum (vibration spectrum) was performed.
  • the measurement conditions of this verification experiment are as follows.
  • Variable speed rotation of sample 1 second stop every 180 °
  • FIG. 10 is a diagram showing the results of the verification experiment.
  • the axis of easy magnetization ⁇ 1 of the quasi-single crystallized microcrystal is oriented in directions inclined at 0 °, 36 °, 72 °, 90 °, 108 °, and 144 ° with respect to the magnetic field direction B, respectively.
  • FIG. 2 shows an NMR spectrum measured (actually measured) in a state of being present and an NMR spectrum simulated from single crystal data.
  • each measured NMR spectrum is consistent with the corresponding NMR spectrum of the simulation, and it can be seen that the resonance peak is sharpened.
  • the position of the resonance peak changes continuously according to the inclination angle of the easy axis ⁇ 1 with respect to the magnetic field direction B.
  • the inclination angle is 90 °
  • the boundary changes symmetrically (36 ° coincides with 144 ° and 72 ° coincides with 108 °). From the above, it can be seen from the results of the verification experiment that the control unit 7 controls the transmission / reception unit 5 to accurately detect a nuclear magnetic resonance signal.
  • control unit 7 controls the tilting mechanism 20 while controlling the transmission and reception unit 5 as described above. More specifically, when the specific portion of the sample container 2 is oriented in a desired direction, the control unit 7 controls the tiltable rotary shaft together with the sample container 2 immediately before the transmission / reception unit 5 irradiates the sample container 2 with the electromagnetic wave.
  • the drive unit 26 of the tilt mechanism 20 is drive-controlled so that P1 is tilted at an arbitrary angle in the magnetic field direction B with respect to the tilt axis P2.
  • the control unit 7 After irradiating the sample container 2 with the electromagnetic wave by the transmission / reception unit 5, the control unit 7 returns the tiltable rotation axis P1 to the original position (the position on the tilted rotation axis P2) together with the sample container 2. , And drives and controls the driving unit 26.
  • the sample container 2 is irradiated with the electromagnetic wave in a state where the tiltable rotation axis P1 is tilted at an arbitrary angle other than perpendicular to the magnetic field direction B.
  • the information of the anisotropy of the chemical shift can be obtained in detail from the nuclear magnetic resonance signal generated when the electromagnetic wave is irradiated.
  • the shielding tensor reflects the electronic environment around the nucleus, and is extremely useful for local structure analysis and structure refinement.
  • Equation (1) shows a theoretical equation of the shielding tensor in the crystal coordinate system shown in FIG.
  • ⁇ ab ⁇ ba
  • ⁇ ac ⁇ ca
  • ⁇ bc ⁇ cb.
  • the microcrystal is rotated around the crystal axis by an angle ⁇ r.
  • the ⁇ r dependence of the chemical shift is given by the following equation (2) derived from the above equation (1).
  • the crystal axis (c-axis in the example) of the pseudo-single-crystallized microcrystal in the sample is inclined to ⁇ axis other than perpendicular to the magnetic field direction B. Then, when the microcrystal is rotated around the crystal axis by an angle ⁇ r and the nuclear magnetic resonance signal is measured by irradiating an electromagnetic wave, the ⁇ r dependence of the chemical shift is calculated by the following equation (3) derived from the above equation (1). ).
  • Equation (3) when the microcrystal is rotated around the c-axis inclined other than perpendicular to the magnetic field direction B, the degree of shielding ( ⁇ 11 , ⁇ 22 , ⁇ 33 ) and direction ( ⁇ cr , ⁇ cr , ⁇ cr ) can be known at a time.
  • the tilting mechanism 20 tilts the tiltable rotation axis P1 that is the rotation axis of the sample container 2 at an arbitrary angle other than perpendicular to the magnetic field direction B to rotate the sample container 2.
  • the anisotropy information can be obtained in more detail than when the sample container 2 is rotated about the tiltable rotation axis P1 perpendicular to the magnetic field direction B. Therefore, a more effective nuclear magnetic resonance signal can be detected by tilting the tiltable rotation axis P1 by the tilting mechanism 20 at the arbitrary angle.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus 1 of the above embodiment includes the tilting mechanism 20, it does not have to include the tilting mechanism 20.
  • the rotation mechanism 10 directly connected the one support part 14 supporting the sample container 2 and the drive shaft 11a, and directly connected the other support part 14 supporting the sample container 2 and the driven shaft 11b. With this configuration, it is not necessary to provide the guide section 12 and the sliding section 13.

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Abstract

従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができる核磁気共鳴装置及び微結晶構造解析方法を提供する。静磁場内に配置された試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置１は、静磁場を発生させる静磁場源４と、電磁波を照射させるとともに核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部５と、前記静磁場内で微結晶３を懸濁させた試料容器２を変速回転させることで時間的に変動する磁場を印加して微結晶３を三次元配向させるように、試料容器２を変速回転させる回転機構１０と、試料容器２の変速回転と同期して電磁波を照射させるように発信受信部５を制御する制御部７とを備える。

Description

核磁気共鳴装置、及び微結晶構造解析方法
　本発明は、核磁気共鳴装置、及び微結晶構造解析方法に関する。
　物体の結晶構造を解析するものとして、ＭＡＳ（Magic Angle Spinning）法を用いた核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）が知られている。この核磁気共鳴装置は、試料を静磁場に対してマジック角度に傾けた状態で、例えば５ＫＨｚ～２０ＫＨｚで高速回転させ、回転中の試料に電磁波を照射したときに発生する核磁気共鳴（ＮＭＲ；Nuclear Magnetic Resonance）信号を検出することで、試料の結晶構造を解析するものである（例えば特許文献１参照）。また、物体の結晶構造を解析するものとして、試料中に懸濁した微結晶に時間的に変動する磁場を印加し、三次元配向（擬単結晶化）させた微結晶にＸ線を照射して解析を行うＸ線構造解析装置も知られている（例えば特許文献２参照）。
特開平０５－２０００１３号公報 特開２０１２－１７３０４２号公報
　上記核磁気共鳴装置では、結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できる試料は、通常、数ｍｍ程度の大きさの単結晶に限られる。このため、前記大きさ未満の単結晶又は微結晶粉末（以下、単に「微結晶」という）や、タンパク質などの壊れやすい微結晶等については、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができず、結晶構造を解析することが困難であった。
　本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができる核磁気共鳴装置及び微結晶構造解析方法を提供することを目的としている。
　（１）本発明の核磁気共鳴装置は、静磁場内に配置された試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置であって、前記静磁場を発生させる静磁場源と、前記電磁波を照射させるとともに前記核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部と、前記静磁場内で微結晶を懸濁させた前記試料を変速回転させることで、前記試料に時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる回転機構と、前記試料の変速回転と同期して前記電磁波を照射させるように前記発信受信部を制御する制御部と、を備える。
　本発明の核磁気共鳴装置によれば、静磁場内で微結晶を懸濁させた試料を変速回転させて前記試料に時間的に変動する磁場を印加させることで、試料中の微結晶を三次元配向（擬単結晶化）させることができる。そして、試料の変速回転と同期して当該試料にパルス状の電磁波を照射させることで、試料の回転方向の一部である特定部位が所望の方向を向いたときにのみ試料に対して電磁波が断続的に照射されるので、この特定部位が所望の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。これにより、例えばタンパク質などの壊れやすい微結晶であっても、その微結晶を懸濁させた試料を用いることで、結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。従って、本発明の核磁気共鳴装置は、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。
　（２）前記制御部は、前記試料の変速回転と前記電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整可能であるのが好ましい。
　この場合、制御部により前記タイミングを調整することで、試料における特定部位の所望の方向を変更することができる。これにより、試料の特定部位が任意の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。
　（３）前記回転機構は、前記試料を１８０×ｎ°（ｎは任意の自然数）回転させるたびに、その回転を一時的に停止させるものであるのが好ましい。
　この場合、試料の回転を一時的に停止させることで、安定した静磁場を形成することができるので、微結晶を三次元配向させる際の配向精度を高めることができる。
　（４）前記回転機構は、前記試料を前記静磁場の磁場方向に対して垂直方向に延びる回転軸回りに変速回転させるものであり、前記核磁気共鳴装置は、前記回転軸を前記磁場方向に対して垂直以外の任意の角度に傾斜させる傾斜機構をさらに備え、前記制御部は、前記電磁波を前記試料に照射させる直前に、前記回転軸を前記任意の角度に傾斜させるように前記傾斜機構を制御するのが好ましい。
　この場合、回転機構により試料を磁場方向に対して垂直方向に延びる回転軸回りに変速回転させることで、試料中の微結晶を三次元配向させることができる。そして、傾斜機構により回転軸を磁場方向に対して垂直以外の任意の角度に傾斜させた状態で試料に電磁波が照射されるので、回転軸を磁場方向に対して垂直以外の角度に傾斜させずに電磁波を照射する場合に比べて、電磁波を照射したときに発生する核磁気共鳴信号から化学シフトの異方性の情報を詳細に得ることができる。従って、傾斜機構により回転軸を前記任意の角度に傾斜させることで、さらに有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。
　（５）本発明の微結晶構造解析方法は、静磁場内で微結晶を懸濁させた試料を変速回転させることで時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる工程と、前記試料の変速回転と同期して前記試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する工程と、を含む。
　本発明の微結晶構造解析方法によれば、上記核磁気共鳴装置と同様の作用効果を奏する。
　本発明によれば、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。
本発明の実施形態に係る核磁気共鳴装置の概略構成を示す平面図である。 図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。 微結晶の磁化軸を示す斜視図である。 図２の回転機構及び傾斜機構を上方から見た斜視図である。 回転機構により試料容器を回転させている状態を示す斜視図である。 制御部による駆動部の制御例を示す模式図である。 微結晶の三次元配向を説明する斜視図である。 傾斜機構により試料容器を傾斜させている状態を示す斜視図である。 制御部による発信受信部の制御例を示す説明図である。 検証実験の結果を示す図である。 結晶座標系における遮蔽テンソルの理論式の説明図である。 微結晶の磁化軸を磁場方向に対して垂直方向に向けて回転させる状態を示す説明図である。 微結晶の磁化軸を磁場方向に対して垂直以外の角度に向けて回転させる状態を示す説明図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　［核磁気共鳴装置の全体構成］
　図１は、本発明の実施形態に係る核磁気共鳴装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。図１及び図２において、核磁気共鳴装置１は、静磁場内に配置された試料容器２にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出することで、試料容器２内の試料の結晶構造を解析する装置である。試料容器２は、例えば密閉された円筒状の容器であり、医薬分野、バイオテクノロジー分野、高分子材料分野等における有機化合物、無機化合物、生体物質等の微結晶３（図３参照）を懸濁させた試料が収容されたものである。
　核磁気共鳴装置１は、静磁場を発生させる静磁場源４と、電磁波を照射させるとともに前記核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部５と、電磁波を試料容器２に照射するとともに試料容器２からの核磁気共鳴信号が流れるコイル６と、発信受信部５等を制御する制御部７とを備えている。
　静磁場源４は、例えば、円筒状のソレノイドコイルを有する超電導磁石からなる。超電導磁石は、静磁場の磁場方向Ｂが図２の下から上方向となるように配置されている。なお、図１では静磁場源４の図示を省略している。
　発信受信部５は、例えば、電磁波を照射させるためにパルス状の高周波を発生する高周波発生器を有し、試料容器２の周囲に配置されたコイル６に電気的に接続されている。これにより、発信受信部５から発信したパルス状の高周波がコイル６に通電されることによって、コイル６から静磁場内の試料容器２にパルス状の電磁波（ラジオ波）が照射される。そして、静磁場内の試料容器２に電磁波が照射されると、核磁気共鳴が励起され、この核磁気共鳴により発生する核磁気共鳴信号を示す微小電流がコイル６に流れる。発信受信部５は、前記微小電流を受信することで、試料容器２からの核磁気共鳴信号を検出し、検出した核磁気共鳴信号を制御部７に渡す。制御部７は、発信受信部５を制御するとともに、後述する回転機構１０の駆動部１６及び傾斜機構２０の駆動部２６を駆動制御する機能を有している。
　図３は、微結晶３の磁化軸を示す斜視図である。微結晶３は、互いに直交する三方向の磁化率がそれぞれ異なる二軸結晶からなり、磁気的に二軸異方性を有する。微結晶３は、図３に示すように、三軸方向それぞれに３つの異なる磁化率χ１、χ２及びχ３を有し、χ１＞χ２＞χ３の大小関係にある。以下、磁化率χ１の軸を磁化容易軸、磁化率χ２の軸を中間軸、磁化率χ３の軸を磁化困難軸という。
　図１及び図２に戻り、核磁気共鳴装置１は、回転機構１０と傾斜機構２０とをさらに備えている。回転機構１０は、試料容器２を磁場方向Ｂに対して垂直方向に延びる不傾回転軸Ｐ２回りに変速回転させる機構である。傾斜機構２０は、不傾回転軸Ｐ２と直交して前記垂直方向に延びる不傾回転軸Ｐ３回りに試料容器２を回転させる機構である。
　［回転機構］
　図４は、図２の回転機構１０及び傾斜機構２０を上方から見た斜視図である。図２及び図４において、回転機構１０は、回転軸部１１、ガイド部１２、摺動部１３、支持部１４、伝達部１５、及び駆動部１６等を備えている。
　回転軸部１１は、不傾回転軸Ｐ２の方向に互いに離反して配置された第１ブラケット１７及び第２ブラケット１８に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転自在に支持されている。本実施形態の回転軸部１１は、第１ブラケット１７に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転自在に支持された駆動軸１１ａと、第２ブラケット１８に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転自在に支持された従動軸１１ｂとを有している。
　駆動軸１１ａの一端（図２の右端）、及び従動軸１１ｂの一端（図２の左端）には、それぞれガイド部１２が固定されている。各ガイド部１２は、側面視において、不傾回転軸Ｐ２と不傾回転軸Ｐ３との交点Ｃを中心として円弧状に形成されている。そして、各ガイド部１２の内周には、周方向全体にわたって凹溝１２ａが形成されている。
　各ガイド部１２の凹溝１２ａには、摺動部１３が当該ガイド部１２の周方向に摺動自在に嵌め込まれている。摺動部１３は、交点Ｃを中心として円弧状に形成されており、かつガイド部１２よりも周方向に長く形成されている。これにより、摺動部１３は、ガイド部１２に対して交点Ｃを中心として摺動自在とされている（図８参照）。
　各摺動部１３の内周面における周方向の中央部には、交点Ｃに向かって延びる支持部１４が固定されている。これらの支持部１４の間には、試料容器２が配置される空間が形成されており、両支持部１４により前記空間に配置された試料容器２の軸方向両端部を着脱自在に支持している。
　両支持部１４の長手方向の中心線は、同軸上に配置されており、試料容器２の回転軸となる可傾回転軸Ｐ１である。図２及び図４に示す状態では、可傾回転軸Ｐ１は、不傾回転軸Ｐ２上に配置されており、摺動部１３がガイド部１２に対して摺動することで不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂに傾斜するようになっている（図８参照）。なお、ガイド部１２及び摺動部１３は、傾斜機構２０の一部としても機能する。
　駆動軸１１ａの他端（図２の左端）には、伝達部１５が設けられている。伝達部１５は、駆動部１６に接続された駆動プーリ１５ａと、駆動軸１１ａの他端に接続された従動プーリ１５ｂと、駆動プーリ１５ａと従動プーリ１５ｂとの間に掛け渡された無端状のベルト１５ｃとによって構成されている。なお、伝達部１５は、歯車等の他の回転伝達機構により構成されていてもよい。
　駆動部１６は、例えばステッピングモータからなり、その出力軸１６ａの先端に伝達部１５の駆動プーリ１５ａが接続されている。これにより、駆動部１６の回転駆動力は、伝達部１５の駆動プーリ１５ａ、ベルト１５ｃ及び従動プーリ１５ｂを介して駆動軸１１ａに伝達される。なお、駆動部１６は、ステッピングモータ以外に、サーボモータ等の他のアクチュエータであってもよい。
　以上の構成により、図２及び図４に示す状態から駆動部１６を駆動させると、伝達部１５を介して駆動軸１１ａが不傾回転軸Ｐ２回りに回転する。そして、駆動軸１１ａの回転により、図５に示すように、第１ブラケット１７側に配置されたガイド部１２、摺動部１３及び支持部１４と共に、試料容器２が不傾回転軸Ｐ２（可傾回転軸Ｐ１）回りに回転する。そして、試料容器２の回転により、第２ブラケット１８側に配置された支持部１４、摺動部１３及びガイド部１２と共に、従動軸１１ｂが不傾回転軸Ｐ２回りに回転する。
　駆動部１６は、制御部７により駆動制御されている（図１参照）。具体的には、制御部７は、所定時間ｔｒをかけて試料容器２を１８０×ｎ°（ｎは任意の自然数）回転させるたびに、静磁場を形成するのに必要な所定時間ｔｓの間、その回転を一時的に停止させるように、駆動部１６を駆動制御する。
　図６は、制御部７による駆動部１６の制御例を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態では、制御部７によってｘｙ平面上に時間的に変動する磁場（以下、時間変動磁場という）を印加するようになっている。以下、例えばｚ軸より見て図６の紙面上側のｘ軸を基準（０°）として、ｚ軸（不傾回転軸Ｐ２）を中心に試料容器２を図６の時計回り方向に１８０°ずつ回転させる場合について説明する。なお、ｘ軸は、磁場方向Ｂと平行に配置されている。
　まず、制御部７は、０°の位置から１８０°の位置までの１８０°の範囲（回転角度αｑ）では、所定の角速度ωｑ（好ましくは６０ｒｐｍ）により試料容器２を回転させる。そして、制御部７は、ｘ軸上である１８０°の位置では、試料容器２を所定時間ｔｓ（好ましくは１秒～１０秒、さらに好ましくは１秒）の間、完全に停止させる。
　その後、制御部７は、１８０°の位置から０°（３６０°）の位置までの１８０°の範囲（回転角度αｑ）では、前記角速度ωｑにより試料容器２を再び回転させる。そして、制御部７は、０°の位置であるｘ軸上では、試料容器２を所定時間ｔｓ（好ましくは１秒）の間、完全に停止させる。これにより、試料容器２は、磁場方向Ｂに対して垂直方向に延びるｚ軸（不傾回転軸Ｐ２）回りに変速回転する。
　以上のように、試料容器２が１８０°回転するたびにその回転を一時的に停止させるように、制御部７が駆動部１６を駆動制御することにより、時間変動磁場が印加される。そうすると、試料容器２の回転中に回転磁場が形成されることにより、試料容器２内において懸濁された微結晶３の磁化困難軸χ３は、ｘｙ平面（回転面）に対して垂直なｚ軸方向に配向される。
　そして、試料容器２の停止中に静磁場が形成されることにより、微結晶３の磁化容易軸χ１が、磁場方向Ｂと平行に配置されたｘ軸方向に配向されるとともに、残りの中間軸χ２も自動的にｙ軸方向に配向される。これにより、微結晶３は、図７（ａ）に示すようにランダムに配置された状態から、図７（ｂ）に示すように三次元配向された状態、すなわち擬単結晶化した状態となる。その際、試料容器２の回転を一時的に停止させることで、安定した静磁場を形成することができるので、微結晶３を三次元配向させる際の配向精度を高めることができる。
　なお、本実施形態では、試料容器２を１８０°回転させるたびにその回転を一時的に停止させているが、３６０°（１回転）毎や５４０°（１回転半）毎など複数回転毎に試料容器２の回転を停止させてもよいし、毎回異なる回転角度で試料容器２の回転を停止させてもよい。要するに、１８０°の任意の自然数倍まで相対回転させたときに試料容器２の回転を停止させるようにすればよい。また、本実施形態では、試料容器２を完全に停止させているが、静磁場を形成できる範囲でゆっくりと回転させてもよい。
　［傾斜機構］
　図１及び図４において、傾斜機構２０は、不傾回転軸Ｐ３回りに試料容器２を回転させることで、試料容器２の回転軸である可傾回転軸Ｐ１を不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂに傾斜させる機構である。換言すれば、傾斜機構２０は、可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の任意の角度に傾斜させる機構である。傾斜機構２０は、回転軸部２１、ガイド部２２、摺動部２３、連結部２４、伝達部２５、及び駆動部２６等を備えている。
　回転軸部２１は、不傾回転軸Ｐ３の方向に互いに離反して配置された第３ブラケット２７及び第４ブラケット２８に対して不傾回転軸Ｐ３回りに回転自在に支持されている。本実施形態の回転軸部２１は、第３ブラケット２７に対して不傾回転軸Ｐ３回りに回転自在に支持された駆動軸２１ａと、第４ブラケット２８に対して不傾回転軸Ｐ３回りに回転自在に支持された従動軸２１ｂとを有している。
　駆動軸２１ａの一端（図１の上端）、及び従動軸１１ｂの一端（図１の下端）には、それぞれガイド部２２が固定されている。各ガイド部２２は、交点Ｃを中心として円弧状に形成されている。そして、各ガイド部２２の内周には、周方向全体にわたって凹溝２２ａが形成されている。
　各ガイド部２２の凹溝２２ａには、摺動部２３が当該ガイド部２２の周方向に摺動自在に嵌め込まれている。摺動部２３は、交点Ｃを中心として円環状に形成されており、摺動部２３の内周側の空間は、試料容器２が配置される空間とされている。摺動部２３の第１ブラケット１７側には連結部２４が固定されている。連結部２４は、回転機構１０の第１ブラケット１７側の支持部１４に外嵌して固定された円板２４ａと、円板２４ａの外周部と摺動部２３とを連結する複数の連結板２４ｂとを有している（図８も参照）。
　これにより、試料容器２が、回転機構１０の第１ブラケット１７側の支持部１４と共に、不傾回転軸Ｐ２回りに回転すると（図２参照）、傾斜機構２０の連結部２４および摺動部２３も、ガイド部２２に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転するようになっている（図５参照）。従って、ガイド部２２、摺動部２３及び連結部２４は、回転機構１０の一部としても機能する。なお、本実施形態の連結部２４は、第１ブラケット１７側の支持部１４と摺動部２３とを連結しているが、第２ブラケット１８側の支持部１４と摺動部２３とを連結してもよい。
　図１及び図２において、回転軸部２１の駆動軸２１ａの他端（図１の下端）には、伝達部２５が設けられている。伝達部２５は、駆動部２６に接続された駆動プーリ２５ａと、駆動軸２１ａの他端に接続された従動プーリ２５ｂと、駆動プーリ２５ａと従動プーリ２５ｂとの間に掛け渡された無端状のベルト２５ｃとによって構成されている。なお、伝達部２５は、歯車等の他の回転伝達機構により構成されていてもよい。
　駆動部２６は、例えばステッピングモータからなり、その出力軸２６ａの先端に伝達部２５の駆動プーリ２５ａが接続されている。これにより、駆動部２６の回転駆動力は、伝達部２５の駆動プーリ２５ａ、ベルト２５ｃ及び従動プーリ２５ｂを介して駆動軸２１ａに伝達される。なお、駆動部２６は、ステッピングモータ以外に、サーボモータ等の他のアクチュエータであってもよい。
　以上の構成により、図２及び図４に示す状態から駆動部２６を駆動させると、伝達部２５を介して駆動軸２１ａが不傾回転軸Ｐ３回りに回転する。そして、駆動軸２１ａの回転により、図８に示すように、第３ブラケット２７側に配置されたガイド部２２と共に、摺動部２３及び連結部２４と、回転機構１０の両支持部１４及び両摺動部１３とが、不傾回転軸Ｐ３回りに回転する。そして、摺動部２３及び連結部２４の回転により、第４ブラケット２８側に配置されたガイド部２２と共に、従動軸２１ｂが不傾回転軸Ｐ３回りに回転する。これにより、可傾回転軸Ｐ１が、試料容器２と共に不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂに傾斜する。
　［発信受信部の制御］
　図１において、制御部７は、上記のように微結晶３を擬単結晶化した状態で核磁気共鳴信号を精度良く検出するために、試料容器２の変速回転と同期してコイル６から電磁波を照射させるように発信受信部５を制御する。具体的には、制御部７は、試料容器２の回転方向の一部である特定部位が所望の方向を向いているときにのみコイル６から電磁波を照射させるように、発信受信部５で高周波を発生させるタイミングを制御する。
　試料容器２の特定部位が所望の方向を向いているか否かを判定する手法としては、例えば、試料容器２の回転方向の位置をセンサで直接検出して判定してもよいし、試料容器２の角速度及び回転時間から試料容器２の回転方向の位置を算出して判定してもよい。
　このように、制御部７により試料容器２の変速回転と同期してコイル６から電磁波を照射させるように発信受信部５を制御することで、試料容器２の回転方向の一部である特定部位が所望の方向を向いたときにのみ試料容器２に対して電磁波が断続的に照射される。これにより、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。従って、本実施形態の核磁気共鳴装置１は、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。
　制御部７は、前記特定部位の所望の方向を変更できるように、試料容器２の変速回転と電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整する制御を行う。具体的には、制御部７は、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いている状態が所定回数に達すると、試料容器２の変速回転と電磁波の照射とを同期させるタイミングが所定時間だけずれるように、発信受信部５で高周波を発生させるタイミングをずらす制御を行う。
　図９は、制御部７による発信受信部５の制御例を示す説明図である。図９（ａ）では、試料容器２が不傾回転軸Ｐ２回りに変速回転しているときに、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いている状態を示している。図例では、試料容器２内で擬単結晶化した微結晶３の磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α１に傾いた方向を向いている状態を、前記特定部位が所望の方向を向いている状態としている。
　図９（ａ）において、制御部７は、試料容器２の変速回転により、磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α１に傾いた方向を向いている状態が所定回数（図例ではｎ回）に達するまで、この状態になったときにのみコイル６から電磁波を照射させるように発信受信部５を制御する。その後、制御部７は、磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α１に傾いた方向を向いている状態が所定回数に達すると、図９（ｂ）に示すように、磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α２（＞α１）に傾いた方向を向いている状態になったときにのみコイル６から電磁波を照射させるように、発信受信部５で高周波を発生させるタイミングをずらす制御を行う。
　このように、制御部７により試料容器２の変速回転と電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整することで、試料容器２における特定部位の所望の方向を変更することができる。これにより、試料容器２の特定部位が任意の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。
　本発明者らは、制御部７が上記のように制御することによって得られる効果を検証するために、図９の制御例を実際に行い、電磁波を照射して検出された核磁気共鳴信号からＮＭＲスペクトル（振動スペクトル）を測定する検証実験を行った。この検証実験の測定条件は、以下の通りである。
　微結晶：Ｌ－アラニン微結晶
　測定法：交差分極（ＣＰ）
　磁場強度：７．０５Ｔ
　試料の変速回転：１８０°毎に１秒停止
　図１０は、前記検証実験の結果を示す図である。図１０では、擬単結晶化した微結晶の磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して、０°、３６°、７２°、９０°、１０８°、及び１４４°にそれぞれ傾いた方向を向いている状態で測定（実測）したＮＭＲスペクトルと、単結晶データからシミュレーションしたＮＭＲスペクトルとを示している。
　図１０に示すように、実測された各ＮＭＲスペクトルは、対応するシミュレーションのＮＭＲスペクトルと一致しており、共鳴ピークが先鋭化しているのが分かる。また、実測された複数のＮＭＲスペクトルを比較すると、共鳴ピークの位置が、磁化容易軸χ１の磁場方向Ｂに対する傾斜角度に応じて連続的に変化しており、前記傾斜角度が９０°のときを境として対称に変化（３６°と１４４°が一致し、７２°と１０８°が一致）しているのが分かる。以上より、前記検証実験の結果から、制御部７が発信受信部５を制御することによって、核磁気共鳴信号を精度良く検出できるのが分かる。
　［傾斜機構の制御］
　図１において、制御部７は、上記のように発信受信部５を制御しながら、傾斜機構２０を制御する。具体的には、制御部７は、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いたときに、発信受信部５により電磁波を試料容器２に照射させる直前に、試料容器２と共に可傾回転軸Ｐ１を不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂへ任意の角度に傾斜させるように、傾斜機構２０の駆動部２６を駆動制御する。そして、制御部７は、発信受信部５により電磁波を試料容器２に照射させた後、試料容器２と共に可傾回転軸Ｐ１を元の位置（不傾回転軸Ｐ２上の位置）に戻すように、駆動部２６を駆動制御する。
　これにより、可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の任意の角度に傾斜させた状態で試料容器２に電磁波が照射されるので、可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の角度に傾斜させずに電磁波を照射する場合に比べて、電磁波を照射したときに発生する核磁気共鳴信号から化学シフトの異方性の情報を詳細に得ることができる。
　化学シフトの異方性の情報を得るためには、下記式（１）に示す遮蔽テンソル（化学シフトテンソル）の理論式が用いられる。遮蔽テンソルは、原子核周りの電子環境を反映しており、局所構造の解析や構造の精密化に極めて有用なものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）は、図１１に示す結晶座標系における遮蔽テンソルの理論式を示している。式（１）の左辺における遮蔽テンソルは、２階の対称テンソルであり、σａｂ＝σｂａ、σａｃ＝σｃａ、σｂｃ＝σｃｂとなるため、当該遮蔽テンソルの９成分のうち６成分を決定することができれば、詳細な異方性の情報である遮蔽の程度（σ１１，σ２２，σ３３）と方向（φ，θ，ψ）が分かる。
　図１２に示すように、擬単結晶化させた微結晶の結晶軸（図例ではｂ軸）を磁場方向Ｂに対して垂直方向に向けた状態で、当該結晶軸回りに微結晶を角度θｒ回転させ、電磁波を照射して核磁気共鳴信号を測定した場合、化学シフトのθｒ依存性は、上記式（１）から導かれた下記式（２）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）に示すように、磁場方向Ｂに対して垂直なｂ軸回りに微結晶を回転させるだけでは、上記遮蔽テンソルの９成分のうちの３成分であるσａａ、σａｃ、σｃｃしか決定することができない。従って、本実施形態において、試料容器２の回転軸である可傾回転軸Ｐ１を不傾回転軸Ｐ２に対して傾斜させずに試料容器２を回転させた場合、すなわち傾斜機構２０により可傾回転軸Ｐ１を傾斜させずに、磁場方向Ｂに対して垂直な可傾回転軸Ｐ１回りに試料容器２を回転させるだけでは、異方性の情報を十分に得ることができない。
　これに対して、図１３に示すように、試料中の擬単結晶化させた微結晶の結晶軸（図例ではｃ軸）を、磁場方向Ｂに対して垂直以外のθaxisに傾斜させた状態で、当該結晶軸回りに微結晶を角度ψｒ回転させ、電磁波を照射して核磁気共鳴信号を測定した場合、化学シフトのψｒ依存性は、上記式（１）から導かれた下記式（３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）に示すように、磁場方向Ｂに対して垂直以外に傾斜したｃ軸回りに微結晶を回転させた場合、詳細な異方性の情報である遮蔽の程度（σ１１，σ２２，σ３３）と方向（φｃｒ，θｃｒ，ψｃｒ）が一度に分かる。
　以上より、本実施形態において、傾斜機構２０により試料容器２の回転軸である可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の任意の角度に傾斜させて試料容器２を回転させることで、磁場方向Ｂに対して垂直な可傾回転軸Ｐ１回りに試料容器２を回転させる場合に比べて、異方性の情報を詳細に得ることができる。従って、傾斜機構２０により可傾回転軸Ｐ１を前記任意の角度に傾斜させることで、さらに有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。
　［その他］
　上記実施形態の核磁気共鳴装置１は、傾斜機構２０を備えているが、傾斜機構２０を備えていなくてもよい。この場合、回転機構１０は、試料容器２を支持する一方の支持部１４と駆動軸１１ａとを直接接続するとともに、試料容器２を支持する他方の支持部１４と従動軸１１ｂとを直接接続した構成にすれば、ガイド部１２と摺動部１３を備える必要はない。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　核磁気共鳴装置
　２　試料容器
　３　微結晶
　４　静磁場源
　５　発信受信部
　７　制御部
　１０　回転機構
　２０　傾斜機構
　Ｂ　磁場方向
　Ｐ１　可傾回転軸（回転軸）

Claims (5)

  1. 　静磁場内に配置された試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置であって、
    　前記静磁場を発生させる静磁場源と、
    　前記電磁波を照射させるとともに前記核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部と、
    　前記静磁場内で微結晶を懸濁させた前記試料を変速回転させることで、前記試料に時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる回転機構と、
    　前記試料の変速回転と同期して前記電磁波を照射させるように前記発信受信部を制御する制御部と、を備える核磁気共鳴装置。
  2. 　前記制御部は、前記試料の変速回転と前記電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整可能である、請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
  3. 　前記回転機構は、前記試料を１８０×ｎ°（ｎは任意の自然数）回転させるたびに、その回転を一時的に停止させるものである、請求項１又は２に記載の核磁気共鳴装置。
  4. 　前記回転機構は、前記試料を前記静磁場の磁場方向に対して垂直方向に延びる回転軸回りに変速回転させるものであり、
    　前記回転軸を前記磁場方向に対して垂直以外の任意の角度に傾斜させる傾斜機構をさらに備え、
    　前記制御部は、前記電磁波を前記試料に照射させる直前に、前記回転軸を前記任意の角度に傾斜させるように前記傾斜機構を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載の核磁気共鳴装置。
  5. 　静磁場内で微結晶を懸濁させた試料を変速回転させることで時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる工程と、
    　前記試料の変速回転と同期して前記試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する工程と、を含む微結晶構造解析方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2022092322A1 (ja) * 2020-11-02 2022-05-05
JP7434684B2 (ja) * 2021-03-30 2024-02-21 東京窯業株式会社 測温プローブ

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5424644A (en) * 1992-06-30 1995-06-13 Bruker Analytische Messtechnik Gmbh Probehead for the measuring of magnetic resonance
JPH0816656B2 (ja) * 1988-08-03 1996-02-21 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 試料の再配向を伴う高分解能核磁気共鳴用プローブ
JP2008039699A (ja) * 2006-08-09 2008-02-21 Tokyo Metropolitan Univ 微粒子配向用磁場印加装置及び微粒子構造解析方法
WO2013118761A1 (ja) * 2012-02-06 2013-08-15 国立大学法人京都大学 微結晶構造解析装置、微結晶構造解析方法及びｘ線遮蔽装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0816656B2 (ja) * 1988-08-03 1996-02-21 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 試料の再配向を伴う高分解能核磁気共鳴用プローブ
US5424644A (en) * 1992-06-30 1995-06-13 Bruker Analytische Messtechnik Gmbh Probehead for the measuring of magnetic resonance
JP2008039699A (ja) * 2006-08-09 2008-02-21 Tokyo Metropolitan Univ 微粒子配向用磁場印加装置及び微粒子構造解析方法
WO2013118761A1 (ja) * 2012-02-06 2013-08-15 国立大学法人京都大学 微結晶構造解析装置、微結晶構造解析方法及びｘ線遮蔽装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KUSUMI, RYOSUKE: "Analysis of anisotropic interaction from microcrystalline powder using magnetic field orientation: From the pseudo-single-crystal to suspension of magneticfield orientation", LECTURE ABSTRACTS OF THE 57TH ANNUAL MEETING OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIETY OF JAPAN, L1-9, 18 September 2018 (2018-09-18), pages 46 - 47 *
OKUMURA,MANABU: "Analysis of quadrupole coupling tensor by single-crystal NMR method using the pseudo-singlecrystal sample", LECTURE ABSTRACTS OF THE 55TH ANNUAL MEETING OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIETY OF JAPAN, P75, 2016, pages 276 - 277 *
R. KUSUMI ET AL.: "Chemical shift tensor determination using magnetically oriented microcrystal array (MOMA): 13C solid-state CP NMR without MAS", JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE, vol. 223, October 2012 (2012-10-01), pages 68 - 72, XP028941968, DOI: 10.1016/j.jmr.2012.08.006 *

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